基于CARSIM的汽车操纵性研究

摘要：此论文讲述了汽车在不同速度、簧载质量、悬架刚度、阻尼系数等各种条件下汽车的操纵性状况，并以此分析影响汽车操纵性的各种因素，综合对比得件的汽车动力学模型，并进行建模分析，最后对汽车的操纵性进行曲线和动画仿真研究，比较各种参数下的曲线和动画优缺点，最终得出合理结论。关键词：操纵性影响因素CARSIM汽车动力学仿真研究引言车辆的操纵性是车辆可以很精确地跟随驾驶员的思想和操作指令。简单地说，汽车司机要在非直线道路或不平的路面完成或操纵的转向而且转向是合理的，而不是转向过度或转向不足的现象，这对汽车操纵稳定性的评价，提供了合理的依据。汽车的操纵性往往与稳定性密切相关，可以称之为操作稳定性。车辆操纵稳定性对驾驶员在正常的精神状态或身体状态有着不过分的紧张情绪，驾驶汽车仍能根据我自己的想法去行驶；如果遇到转弯、大风、路面不平等非正常情况，操纵车还能抵抗这些非正常条件的干扰，并能正常行驶，这是就是汽车操纵稳定性。车辆操纵稳定性一方面会涉及车辆驾驶的操纵难易情况，另一方面它也决定车辆在中高速行驶时的安全性能，与此同时还或多或少的干涉到车辆其他性能，其主动安全性占据主导，重点体现着汽车技术含量，也是国内众多汽车企业竞争的焦点。此篇论文主要围绕汽车操纵性做研究分析，并且对稳定性做简要的介绍。1意义及现状分析如今，我国的车辆产业发展迅猛，并且已经开始走进一个新的阶段，汽车已经普及千家万户，可是汽车普及必然带来一定的负面影响，汽车的安全性能有待日益改善，而汽车的操纵稳定性绝大部分取决于汽车车轮，汽车轮胎在不同条件下的操纵性如何，必然关系着人身及财产的安危，所以需要对汽车的操纵性进行研究分析，并且选择最佳操纵方案。本文结合汽车的操纵性研究，采用不同的汽车参数进行比较，运用CARSIM软件模型对汽车进行整车建模和仿真分析，最终得出最佳结论。此论文的研究意(1)对选定车辆进行系统性能实验(参照他人实验结论),运用CARSIM仿真仿真软件美国机械仿真公司MSC(MechanicalSimulationCorporation)在1996年开发的一种车辆动力学仿真软件，此软件的动态仿真来根大学)积累多年的理论与实践探索。CarSim软件具有准确、快速的优点，操动画和图形的驱动程序的清晰直观的分析和研究，空气动力学和路面输入响应。行业标准的软件。CarSim使用的参数特性的建模思想的形式，简单清晰的操作1.图形化数据库包括控制数据库的方向和速度，数据库的外部环境(道路、外部风)和车辆重要的操作分析。CarSim可以用C语言、Matlab/Simulink的连接，方便、快CarSim软件结合现代多体动力学与传统的车辆动力学方法建模思想，并简如图所示刚体数量数量簧载质量1簧载质量的移动自由度(X、Y、Z)3非簧载质量4非簧载质量自由度4车轮4车轮旋转自由度4发动机总数1传动系旋转自由度1轮胎瞬态特性自由度8制动压力自由度4总数27CarSim软件模型包括七个子系统，包括车身、轮胎、转向系统、悬架、制车体车体空气动力学传动系制动系弹性运动学整车以下分别对车辆模型系统具体的参数和曲线以及如何获取进行进一步分析择的参考软件CarSim,因为水平约束和参数的选择并不是最准确的，但相对合序号具体参数数值单位整车质量M1车宽mm2车高mm】轴距mm4轮距mm5质心高度hmm6质心距前轴距离xmm7簧载质量M前轮高度hmm9后轮高度hmmKg-m²转动惯量lyyKg-m²转动惯量IzzKg-m²图3.1.1:车体(SprungMassfromWholeVehicle)界面在CarSim坐标系统建立一个相对完整的车体的界面，如图所示：在CarSim软件，你可以使用车辆前轮轴中心的高度确定车辆坐标系的坐标原点，通常输入一定载荷下车轮半径。汽车左、右对称平面内定义X轴线，车头前面是正面的；Z轴的方向垂直于地面的方向，上方为正；利用右手定则确定Y轴，向右为正方向。图3.1.2CARSIM汽车坐标系FosdmseS州2pTelagVrPsexizdwms0Dude#mCARSIM具体参数值如下：参数数值Effectiverollingradius(有效转动半径)Unloadedradius(非承载半径)Springrate(弹簧刚度)420N/mmMaximumallowedforce(最大承载压力)NRollingresistancemoment(旋转阻力矩)不懂轮胎参数3.2.1轮胎的坐标系在CARSIM软件中建立轮胎坐标系是为了研究轮胎的力学特性，如图所示：在垂直汽车轮胎旋转轴线的车轮中分平面设为车轮平面，车轮旋转轴线在地平面上的投影线与地平面和车轮平面的交线的交点定义为坐标系的原点。地平面和车轮平Z轴与地平面垂直，取上方为正。Y轴位于地平面，取面向车轮前进方向左方向为正。图中还标记了地面切向反作用力Fx、轴的力矩)、侧偏角α(轮胎接地印记中心位移方向与X轴的夹角)、外倾角β(垂直平面与车轮平面的夹角)。(待改动)Fetnevg.S4-TgePupSasnnhwy转向系统(SteeringSystem)界面3.3.1转向系统介绍转向系统对研究汽车的操纵性至关重要，转向系统的好坏很大一部分决定了操纵性如何，因此在论文中主要研究转向系统，也是建模的另一部分。对转向系统的要求就是工作要可靠、操纵要轻便、汽车在转向时车轮尽可能的做纯滚动尽可能的减少滑动，否则会导致汽车漂移甩尾现象，如果转向轮收到的冲击较大或者方向盘的感觉太明显(打手),对驾驶员是不利的，所以要确保驾驶员有很好的路面感觉。如下为转向系统内的一些参数布置：具体参数数值Columninertia(转向柱惯量)0.02kg-m²Systeminertia(系统惯量)0.0001kg-m²Columndamping(转向柱阻尼)0.01Nm-s/degColumnhysteresis(转向柱干摩擦)Hysteresisrefangle(参考角度)转向系内参数布置如下为主销几何学参数：在后面的CARSIM软件仿真中将着重介绍转向系统中主销力矩、车轮转向角、转向力矩、方向盘转角、车辆纵向加速度、不足转向梯度等随汽车参数的变化而变化的情况。3.3.2CARSIM转向系模型在CARSIM汽车模型中，转向受到两个特性的影响：悬架K&C特性和转向系特性。两个特性效应叠加达到总体的转向效果，下面介绍转向系的影响。CARSIM转向系包括弹性运动学特性(Compliance)和转向系运动学特性(Kinematics),下面简称K特性和C特性。Roadwheelsteer(车轮转向)车轮转向盘与转向器之间的关系如图所示，转向盘转角与转向器输出之比由GearRatio(传动比)表示。由于转向系统的弹性轮角度的变化，在转向力矩变动的时候，左、右车轮被干扰。在CARSIM软件悬架选项里有扭转梁悬架、独立悬架、非独立悬架三种悬架形式。运动学(Kinematics)特性和弹性运动学(Compliance)特性都存在于三种悬架中，而此篇论文只针对独立悬架做研究分析。3.4.1独立悬架运动学特性(IndependentSuspensionkinematics)KimematicsBasedonJounce*ightiihnWhealDusMiasGaenJuisP+iu.GwTirunTue(0e?GuetosioeStaficAlignmenlSefing时nFmnesdphFun0独立悬架运动学特性界面此界面讲述了独立悬架的运动学特性(K特性),详细参数如下：序号具体参数数值单位1非簧载质量(Unsprung902mass)03kg-m²4前轮轮心高度320mm5后轮轮心高度300mm6车轮外倾角值(camber)Left:0、right:07车轮前束角值(toe)Left:0.1、right:0.1除此之外，在独立悬架运动学特性中还定义了一系列参数随轮跳的变化曲线，主销后倾角、车轮外倾角线、轮心纵向位移、轮心侧向位移和车轮前束角。由于汽车在行驶过程中，车轮的质量中心和车轮的中心位置发生改变，从而会影响车辆的控制。3.4.2独立悬架弹性运动学特性(IndependentSuspensionCompliance)mVreseAeimnl;E-Gmefmeemsaa*PntLumgliagnTommePlnSirSawlygimeFtaEeigthsasesJuuna!ftosnitacesHenmes*Dmwny-5d.fyadta**AuslhsryBaesmwmm独立悬架弹性运动学界面(C特性)界面在此界面中主要包含了C特性参数，前悬架的刚度为34N/mm,后悬架刚度为46N/mm.详细参数曲线有减振器速度特性曲线、横向稳定杆辅助侧倾刚度曲线和悬架弹性特性曲线。悬架的C特性曲线通常是线性关系，所以C特性系数在CARSIM软件中可以用来论述车轮中心位置以及轮胎参数定位随汽车车轮受到外力变化的情况，详细序号变化参数Right1前束角与纵向力系数(Toe/F)-1.9e-6-1.9e-62外倾角与纵向力系数(Camber/F00displacement/F)4前束角与侧向力系数(Steer/F)-3.3e-5-3.3e-55车轮外倾角与侧向力系数(Inclination/F)5e-55e-5略略略略678轮心侧向位移与侧向力系数前束角与回正力矩系数(Steer/M)外倾角与回正力矩系数(Inclination/M)在悬架K&C特性中，前束角的变化是由悬架引起的转向效应，车轮的最终转向角是转向系统的转向性能和悬架引起的转向组合，本文并不对此做过多赘述。3.5传动系(Powertrain)本文传动系采用的是前轮驱动，符合大多数汽车车型。××nLsiemSesw1广*MntSaipDunenyfepneil&.*90PwhmhnyentrehsattivaheOewuimsTraiunaifiessdiyThatmtieynalsivassjumjpttitinwdPotedwtiitiE*?传动系界面汽车传动系由传动系由离合器、变速器、万向传动装置和驱动桥组成，在序号变化参数曲线或数值1发动机万有特效曲线2离合器特性曲线3离合器扭转刚度4变速器各档齿轮传动比及转动惯量5变速器各档位传动效率6加减档时刻表略7减速器力矩特性曲线略9内部传动6-speedtransmissionN:变速器各档齿轮传动比及转动惯量在传动系中只对传动比和转动惯量做简单的介绍，并不深究。3.6制动系(Brakes)××msdiisitaessgndissdopPA9atiiusiaiheliatussita.AliutidmsimtheitstboastnswmiumpetTC*ipiceetemdtinten?hsredaiwltshnep=sswcotmswmemppra=mpimpNudeosumheeonnayme:hkeGme59、00gM-nhisidimtaFltDnmitsTin:Ca=BkimFhutfrmannnrOetmysdelirnBCm*m*epBswetag料g制动系界面在CARSIM汽车制动系中可以描绘出制动力矩曲线以及制动压力分配曲线等。具体性能参数如下：序号性能参数LeftRight1】流体运动学时间常数流体传递滞后0.06sec00.06sec03ABS开启和关闭的滑移率门限值4ABS工作最低车速没找到5制动力矩250N-m/MPa3.5空气动力学(Aerodynamics)×xmaneC-fhiussffaisun,alhee8*abcactesrcnnspug-TlaiannssfaiteteaardnunstiisfaDsb,2M,dge-*tt图3.5空气动力学界面在CARSIM汽车空气动力学中的一系列具体参数如下：序号性能参数]空气动力学参考点坐标2车辆正投影面积3空气动力学力矩参考长度4空气动力学六分力系数与侧风角度的关系曲线空气动力学部分也不作为论文研究重点操纵性对于汽车的行驶、安全至关重要，并且在大学汽车专业课的学习中曾做过汽车操纵性的实验，包括转向轻便型实验、稳态回正实验、高速回正实验、低速回正实验、转向角脉冲实验、转向角阶跃实验等等，由于本文选定的车轮模型实验受到限制，故省略了对选定汽车的操纵性试验，直接利用理论实验结果并根据理论知识及向指导老师学习之后，利用CARSIM仿真软件进行深入分析。悬架刚度、悬架阻尼系数。以下是可变数据的默认值序号参数数值单位速度Km/h2簧载质量3非簧载质量4悬架刚度前悬架34、后悬架46N/mm5悬架阻尼系数06(1)主销力矩(KingpinTorque)随时间的变化曲线图(2)车轮转向角(RoadWheelSteerAngle)随时间的变化曲线图(3)转向力矩(SteerTorque)随时间的变化曲线图(4)阻尼力(DampingForce)随时间的变化曲线图(5)方向盘转角(SteerWheelAngle)随时间的变化曲线图(6)不足转向梯度(UndersteerGradient)对比侧向加速度(LatAccel)的变化曲线200km/h,三种速度对比分析梯度较大，目的是为了得到更有效的结果对比，以AamentAament.Nm0Time-##s=genm atouum ahodntaboutrunwheeltorque-N-mTee-8KSteonngSteonngwneelange·ceg400Tise-K22Earte-NL1L1dimeenlD4500Urdegtsergradant·degy*ngi*egWhm?meiR1一WoWhm?meiR1一Wogmcrt)程Tme-1400ateraiacreigrwton-ginTine-9ec120km/h仿真结果4.1.1不同车速对比分析仿真曲线选用转向系统(Steeringsystem)中的一些参数，包括主销转矩、车图3不同车速下的方向盘转角对比图4不同车速下的车轮转角对比图5不同车速下的轮胎侧向力对比度对比图5不同车速下的不足转向梯(1)行驶速度较低的汽车操纵性相对好些，切各项参数变化较为平稳，基(2)如果汽车在超速行驶时会主销转矩、车轮转向角会发生非常频繁的波路120km/h的依据之一，防止因转向操纵失稳而发生交通事故。(3)随着汽车速度升高转向力矩逐渐变大，具体参见纵坐标数值，当车速在CARSIM软件中簧载质量的默认值为1950kg,非簧载质量默认值90kg(无法变动),通过改动簧载质量的数值来对比分析仿真结果，分别采用簧载质量为图1不同簧载质量下的主销转矩对比图2不同簧载质量下的车轮转向力图3不同簧载质量下的方向盘转角对比对比图4不同簧载质量下的车轮转角钟图5不同簧载质量下的阻尼力对比图6不同簧载质量下的不足转向梯度对比4.3.1不同悬架刚度对比分析图1不同悬架刚度下的主销转矩对比图2不同悬架刚度下的车轮转向力矩图3不同悬架刚度下的方向盘转角对比图4不同悬架刚度下的车轮转角对比图5不同悬架刚度下的阻尼力对比图5不同悬架刚度下的不足转向梯都降低，而两共振区之间动挠度幅值几乎没有变化.图1不同车速下的主销转矩对比图2不同车速下的车轮转向力矩对比图3不同车速下的方向盘转角对比图4不同车速下的车轮转角对比图5不同车速下的阻尼力对比图5不同车速下的不足转向梯度对比4汽车操纵稳定性的评价4.1.1扰动反应评价和指令反应评价4.1.2角输入反应评价和力输入反应评价4.1.3不同工作点的评价4.1.4线性区评价和非线性区评4.1.5稳态评价和动态评价稳态特性是汽车的结果具有的基本条件和稳态实验良好的动态特性可以达到非4.1.6开环评价和闭环评价驾驶人驾驶员侧风汽车汽车运动4.1.7主观评价和客观评价(待改动)1、主观评价汽车操稳性主观评价是一个合理的评价，使评估人员根据测试，以评估他们的感情。根据项目和评价标准的规定，也有一个闭环评价。主观评价的优点：(1)主观评价主要考虑到人自身的条件，更加切合实际状况，驾驶员自己来操纵汽车，所以操稳性的最终评价方法依旧是主观评价法；(2)驾驶员自身在进行主观评价试验时，还能发现实验仪器检验不到的问题。主观评价的缺点：(1)主观评价受很多因素的影响，评价的结果不同的司机会有很大差异；(2)一般来说，它不给“性能”和“汽车结构”这两者之间有什么联系信息。(3)在设计阶段产生的原型，因此增加成本评估和设计周期。2、客观评价汽车操稳性客观评价方法是基于操纵稳定性试验仪器表征的物理量，如横摆角速度、横向加速度、倾斜角度和转向力评估的稳定性控制方法，其优缺点省略。5影响车辆操纵稳定性的因素有很多因素可以影响车辆转向稳定性，主要有传动系统和行驶系统和转向系统三个方面。5.1行驶系行驶系中影响操纵稳定性的主要因素有：前轮定位参数、后悬架结构参数及横向稳定杆、轮胎、前轴或车架变形、悬架等。5.1.1前轮定位参数的影响前轮定位参数包括：前轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前轮前束。前轮外倾角，是指通过前轮中心的汽车横向平面与前轮平面的交线线与地面垂直线所成的夹角，前轮外倾角一般在1°左右，如图5.1.1所示。它的作用主要是当汽车行驶时，将轮毂压向内轴承，而减轻外端较小的轴承载荷，同时，可以防止因前轴变形和主销孔与主销间隙过大引起前轮内倾，减轻轮胎着地与主销轴线与地面交点间的距离，从而使转向轻便。YY转向轴正1TY图5.1-